ترانسفورماتور

دانشنامه 11 اکتبر 2022

ترانسفورماتور که به اختصار ترانس نامیده می شود در واقع دستگاهی است که با کمک آن جریان برق از یک مدار به مدار دیگر بدون تغییر فرکانس منتقل می شود. تعریف دقیق تر ترانسفورماتور عبارت است از دستگاهی الکتریکی که عملکرد آن بر اساس قانون فارادی می باشد و جهت تامین و انتقال انرژی الکتریکی استفاده می شود. کاربرد این ترانس ها برای انتقال جریان برق از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر و تبدیل ولتاژ می باشد.

اساس کار ترانسفورماتور به زبان ساده بدین صورت است که وقتی دو سیم پیچ را در کنار هم قرار دهیم و در یکی از سیم پیچ ها جریان متغیری عبور دهیم، در سیم پیچ دوم یک ولتاژی به صورت القایی پدیدار می شود. در حقیقت با عبور جریان متغیر از سیم پیچ اول میدان مغناطیسی متغیری در اطراف آن ایجاد می گردد. این میدان مغناطیسی متغیر با قطع سیم پیچ دوم سبب القای ولتاژ در آن می گردد.

کاربرد ترانسفورماتور

به دلیل ویژگی های خاص ترانس ها در توزیع همسان برق و انتقال آن، کاربردهای فراوانی دارند. از جمله کاربرهای ترانس ها می توان به استفاده آن ها در نیروگاه های برق، بخش صنعت جهت تامین نیروی لازم جهت فرآیندهای صنعتی، سیستم برق رسانی و همچنین در انواع ازن ژنراتور اشاره نمود. یکی از کاربردهای مهم ترانس ها در خطوط انتقال جریان برق برای کاهش جریان می باشد. دلیل اصلی استفاده از ترانس ها در ابتدای خطوط انتقال جریان برق این است که کابل های حامل جریان دارای مقاومت الکتریکی هستند.  با توجه به مسافت زیاد لازم برای انتقال جریان، وجود مقاومت الکتریکی در کابل های انتقال دهنده باعث اتلاف انرژی الکتریکی خواهد شد.

یکی از کاربردهای مهم ترانس ها استفاده از آن ها در ساخت دستگاه های ازن ساز است. از ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا به عنوان منبع تولید ازن در این دستگاه ها استفاده می شود. ترانس های به کار رفته در این دستگاه ها با ایجاد هزاران جرقه با ولتاژ بالا در مجاورت اکسیژن موجب تشکیل ازن می گردد. این نوع ترانسفورماتور ها به دلیل حرارت بالای تولیدی در حین عملکرد آن ها معمولا به صورت غوطه ور در روغن ساخته می شوند تا تبادل حرارتی به خوبی انجام گیرد. برای جدا کردن سیم پیچ های ولتاژ بالا و ولتاژ کم از ورق های بک لایت استفاده می شود.

مزایای ترانسفورماتور

  • تثبیت و کنترل ولتاژ انتقالی
  • کارایی بالا
  • سرویس و نگهداری کم
  • هزینه های پایین
  • نیاز نداشتن به زمان آماده سازی جهت شروع
  • امکان ایزولاسیون با اتصال به زمین

مزایای ترانس

معایب ترانسفورماتور

  • اتلاف انرژی هنگام استفاده از هسته آهنی
  • تولید حرارت زیاد
  • نیازمند به سیستم خنک سازی

انواع ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها براساس طراحی و نوع کاربردشان به دسته بندی های مختلفی تقسیم بندی می شوند. در ادامه مطلب به شرح تعدادی از آن ها می پردازیم.

انواع ترانسفورماتور

انواع ترانسفورماتور بر اساس تبدیل ولتاژ

ترانس ها بر اساس تبدیل سطح جریان متناوب به دو نوع ترانس کاهنده و افزاینده تقسیم بندی می شوند.

ترانسفورماتور افزاینده

در این نوع ترانس ها تعداد دور در سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه بیشتر است در نتیجه ولتاژ سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه بیشتر خواهد بود. ولتاژ خروجی در این ترانسفورماتورها به تعداد دور سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه که نسبت تبدیل نامیده می شود بستگی دارد. در ترانس های افزاینده این نسبت بیشتر از یک می باشد.

توان ورودی و خروجی ترانس ها برابراست. این بدان معناست که ترانس افزاینده باعث افزایش ولتاژ می گردد اما به همان میزان جریان موجود در سیم پیچ ثانویه از جریان سیم پیچ اولیه آن کمتر است. پس تغییری در توان مشاهده نمی کنیم. کاربرد ترانس افزاینده اکثرا برای انتقال جریان در مسافت طولانی به منظور کاهش اتلاف انرژی است. تلفات در خطوط انتقال برق به جریان بستگی دارد. ترانس های افزاینده با کاهش جریان و افزایش ولتاژ باعث کاهش اتلاف انرژی و انتقال موثر توان خواهند شد. از ترانس افزاینده در ساخت اجاق مایکوویو برای افزایش ولتاژ از 110 یا 220 ولت به 2000 ولت استفاده می شود.

ساختار سیم پیچ ترانس

ترانسفورماتور کاهنده

این نوع ترانس ها برخلاف نوع افزاینده عمل می کنند. در ترانس کاهنده تعداد دور سیم پیچ اولیه از تعداد دور سیم پیچ ثانویه بیشتر است. ولتاژ خروجی در این ترانس ها کمتر از ولتاژ ورودی می باشد. نسبت تبدیل ترانسوفرماتورهای کاهنده کمتر از یک است. ترانس های کاهنده بیشتر برای کاهش ولتاژ برای استفاده در لوازم خانگی کاربرد دارند. از رایج ترین استفاده این ترانس ها که هر روزه استفاده می نماییم می توان به شارژر موبایل اشاره نمود.

انواع ترانسفورماتور بر اساس جنس هسته

ترانس ها از لحاظ جنس هسته سیم پیچ به دو دسته کلی ترانس با هسته پلاستیکی و با هسته آهنی طبقه بندی می شوند.

تراسفورماتور با هسته پلاستیکی

در این ترانس ها هسته اصلی سیم پیچ ها از جنس پلاستیک یا هوا می باشد یعنی سیم پیچ ها به دور هسته ای از جنس پلاستیک پیچیده شده اند و یا کلا هسته فیزیکی وجود ندارد و صرفا هواست. نفوذپذیری مغناطیسی هوا بسیار کم است. بنابراین بین سیم پیچ ها شار پیوندی وجود ندارد چون مسیر شار از طریق هوا برقرار می باشد. وجود نداشتن هسته مغناطیسی در سیم پیچ باعث کاهش تلفات ناشی از هسته می گردد زیرا با افزایش فرکانس تلفات هسته نیز افزایش می یابد. وجود هسته مغناطیسی در سیم پیچ باعث به وجود آمدن اختلال در سیگنال های با فرکانس بالا می شود. به همین دلیل این نوع از ترانس ها برای استفاده در ابزارهای رادیویی مناسب هستند. همچنین نداشتن هسته مغناطیسی باعث کاهش وزن دستگاه ها می گردد که خود موجب می شود تا برای استفاده در دستگاه های سیار مانند فرستنده های رادیویی بسیار مناسب باشند.

تراسفورماتور با هسته فرومغناطیس

هسته استفاده شده در سیم پیچ این ترانس ها از مواد فرومغناطیس می باشد. هدف از استفاده هسته فرومغناطیس در ترانس ها جهت افزایش میدان مغناطیسی آن می باشد. شدت این میدان مغناطیسی به نفوذپذیری مغناطیسی جنس ماده به کار رفته در ساخت هسته بستگی دارد. معمولا از آهن برای هسته این سیم پیچ ها استفاده می گردد. تراسنفورماتورهای با هسته فرومغناطیس بیشتر جهت کاربردهای با فرکانس پایین و بار سنگین مانند منبع تغذیه مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین برای تغییر در سطح ولتاژ جریان متناوب نیز از این نوع ترانس ها بهره می گیرند.

انواع ترانسفورماتور بر اساس نوع عایق

ترانس ها بر اساس عایق مورد استفاده در آن ها به دو نوع ترانس خشک و روغنی دسته بندی می شوند.

ترانس خشک

در این ترانس ها از هوا برای خنک سازی استفاده می شود و فاقد سیستم خنک سازی مایع هستند. سیم پیچ های ترانس به وسیله رزین اپوکسی کاملا پوشیده شده اند تا از نفوذ رطوبت به آن ها جلوگیری گردد. به دلیل این هوا قدرت بالایی در کاهش دمای ترانس ندارد لذا برای جبران دمای بالا از پیچه های بزرگ در ساخت این ترانس ها استفاده می نمایند. به همین دلیل از ترانس های خشک برای ولتاژهای بالای 33 کیلووات استفاده نمی شوند.

ترانس های خشک به دلیل اینکه خطر آتش سوزی در آن ها کمتر است در محیط های داخی از آن ها استفاده می شود. گرمای زیاد تولید شده در این ترانس ها و عدم وجود سیستم خنک سازی مناسب از طول عمر کمتری برخوردارند. همچنین جهت اطمینان از گردش مناسب جریان هوا در این ترانس ها نیازمند به بازرسی منظم هستند.

ترانس خشک

ترانس روغنی

در این نوع از ترانسفورماتورها از روغن برای خنک سازی استفاده می گردد. روغن استفاده شده در این ترانس ها نسبت به هوا قدرت خنک سازی بیشتری دارد اما قابل اشتعال است. به همین جهت برای ترانس های با توان بالا در محیط های بیرونی استفاده می گردد. ترانس های روغنی به دلیل داشتن مخزن روغن و سنسورهای اندازه گیری رطوبت و غیره اندازه بزرگی دارند و به دلیل استفاده از روغن قابل اشتعال در آن ها برای محیط های داخلی مناسب نمی باشند.

ترانس روغنی